Генетика бактерий. Геном бактерии. Генотип бактериальной клетки. Фенотип бактериальной клетки. Генетический материал бактерий.

Слайд 1Описание слайда:

ГЕНЕТИКА БАКТЕРИЙ

Слайд 2Описание слайда:

Генетическая система бактерий ДНК – первичный генетический материал. РНК – вторичный генетический материал (транскрипция и трансляция генетической информации):  информационная, или матричная (мРНК);  транспортная (тРНК);  рибосомная (рРНК). У РНК-содержащих вирусов РНК является первичным генетическим материалом.

Слайд 3Описание слайда:

Генетическая система бактерий Ядерные структуры: нуклеоид. Неядерные структуры:  плазмиды,  вставочные последовательности;  транспозоны.

Слайд 4Описание слайда:

Ядерные структуры Нуклеоид – одна двунитевая ДНК кольцевой формы. Размеры– от 3х108 до 2,5х109 Д. Бактериальная хромосома содержит до 4000 отдельных генов. Совокупность всех генов называется геномом. Внешнее проявление генома называется фенотипом. Бактериальная клетка гаплоидна.

Слайд 5Описание слайда:

Внеядерные структуры Не являются жизненно необходимыми (не кодируют информацию о синтезе ферментов, участвующих в энергетическом метаболизме).

Слайд 6Описание слайда:

Плазмиды Плазмиды – двунитевые молекулы ДНК, от 106 до 108 Д, от 40 до 50 генов. Количество плазмид – от 1 до 200.  кольцевые обособленные плазмиды;  интегрированные плазмиды. Функции: регуляторные и кодирующие.

F-плазмиды или F-факторы (от англ. fertility – плодовитость). Hfr-плазмиды или Hfr-факторы (от англ. high frequency of recombinations – высокая частота рекомбинаций). R-плазмиды или R-факторы (от англ. resistance – устойчивость).

Плазмиды патогенности (Ent, Hly). Col-плазмиды.

Слайд 7Описание слайда:

Плазмиды Конъюгативные плазмиды: F- или R-плазмиды; крупные (25-150 млн Д), чаще у грамотрицательных палочек, 1-2 на клетку, репликация тесно связана с репликацией бактериальной хромосомы, содержат tra- оперон.

Неконъюгативные плазмиды: небольшие, чаще у грамположительных кокков, но встречаются у грамотрицательных микроорганизмов (Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrhoeae), могут присутствовать в больших количествах (более 30 на клетку).

При наличии в бактерии одновременно конъюгативных и неконъюгативных плазмид – мобилизация.

Слайд 8Описание слайда:

Подвижные генетические элементы Вставочные (инсерционные) последовательности в ДНК (Is-элементы) – участки ДНК, способные перемещаться из одного места локализации в другое, содержат только гены, необходимые для перемещения.

Функции Is-элементов:  координация взаимодействий плазмид, умеренных фагов, транспозонов и нуклеоида для обеспечения репродукции;  регуляция активности генов: эффект промотора, включающего или выключающего транскрипцию соответствующих генов.

Слайд 9Описание слайда:

Подвижные генетические элементы Транспозоны (Tn) – сегменты ДНК, состоящие из вставочных последовательностей и структурных генов, реплицируются только в составе бактериальной хромосомы. Транспозоны способствуют распространению генов в популяции бактерий, что может привести к изменению биологических свойств популяции.

Слайд 10Описание слайда:

Реализация генетической информации ДНК – носитель наследственной информации. Передачу записанной в ДНК информации к местам синтеза белка осуществляет матричная или информационная РНК (мРНК). мРНК синтезируется на одной из цепей ДНК –транскрипция. Перевод нуклеотидной последовательности в последовательность аминокислот – трансляция.

Слайд 11Описание слайда:

Регуляция выражения генетической информации у бактерий

Слайд 12Описание слайда:

Работа регуляторного белка

Слайд 13Описание слайда:

Перенос генетического материала бактерий Генетическая рекомбинация – взаимодействие между двумя геномами, которое приводит к образованию рекомбинаций ДНК и формированию дочернего генома, сочетающего гены обоих родителей. Клетки-доноры и клетки-реципиенты.

Рекомбинант: генотип представлен в основном генотипом реципиента с включением фрагментов хромосомы донора. Рекомбинация: гомологичная и сайт-специфическая. Три механизма передачи генетического материала между бактериями: конъюгация, трансдукция и трансформация.

Слайд 14Описание слайда:

Конъюгация Конъюгация – это перенос генетического материала путем прямого контакта между двумя клетками. Обязательное условие – трансмиссивная плазмида (F, R), обладающая tra-опероном. Биологическая значимость – распространение резистентности бактерий к антибиотикам.

Слайд 15Слайд 16Описание слайда:

Трансформация Трансформация – передача генетической информации через выделенную из клетки-донора ДНК. По происхождению ДНК может быть плазмидной либо хромосомной и нести гены, трансформирующие реципиента.

Трансформация служит хорошим инструментом для картирования хромосом, поскольку трансформированные клетки включают различные фрагменты ДНК.

Перенос экстрагированной ДНК является основным методом генной инженерии, используемым при конструировании рекомбинантных штаммов с заданным геномом.

Слайд 17Описание слайда:

Схема трансформации Трансформирующей активностью обладает только двунитчатая высокоспирализованная ДНК. В клетку-реципиент проникает только одна нить ДНК, другая – в клеточной мембране подвергается деградации с освобождением энергии, необходимой для проникновения в клетку. Интеграция с хромосомой требует наличия гомологичных участков с трансформирующей ДНК.

Слайд 18Описание слайда:

Картирование хромосом Хромосома бактерий, как правило, имеет кольцевую форму. Исключение – Borrelia burgdorferi, у нее хромосома линейная. Гены в хромосоме располагаются линейно и их последовательность можно установить. Это позволяет составлять хромосомные карты бактерий.

Слайд 19Описание слайда:

Трансдукция Трансдукция – передача бактериальной ДНК посредством бактериофага. ● Общая (неспецифическая) трансдукция – перенос вирулентным бактериофагом фрагмента любой части бактериальной хромосомы.

● Специфическая трансдукция – перенос умеренным фагом определенного фрагмента ДНК (прилегающий к месту включения фаговой ДНК).

● Абортивная трансдукция – внесенный фрагмент ДНК донора не встраивается в хромосому реципиента, а остается в цитоплазме и там самостоятельно функционирует.

Слайд 20Описание слайда:

Схема трансдукции

Слайд 21Описание слайда:

Генетическая изменчивость бактерий Генотипом у бактерий называют совокупность индивидуальных генов клетки; фенотип – совокупность наблюдаемых признаков. Изменение бактериального генома могут происходить в результате мутаций и рекомбинаций.

Мутации – это изменения в последовательности нуклеотидов ДНК, проявляющиеся наследственно закрепленной утратой или изменением какого-либо признака или группы признаков.

Фенотипическим проявления мутаций: изменение морфологии бактерии, ауксотрофность, резистентность к антибиотикам, изменение чувствительности к температуре, снижение вирулентности (аттенуация).

Слайд 22Описание слайда:

Мутации По протяженности повреждений мутации бывают: ● точечными, когда повреждения ограничиваются одной парой нуклеотидов, (последствия: замена аминокислоты, сдвиг рамки считывания, возникновение бессмысленного кодона), ● протяженными (аберрации).

Мутации разделяют на: ● хромосомные – изменение двух и более участков хромосомы, ● генные – изменение гена или цистрона: модификации оснований, делеции (выпадение нескольких пар нуклеотидов), транспозиции (перемещение группы нуклеотидов в пределах хромосомы), инсерция (разрыв путем вставки посторонней ДНК), дупликация (добавление нуклеотидных пар) и деформации спирали ДНК.

Слайд 23Описание слайда:

Мутации Спонтанные мутации (1 на 106): ● точечные спонтанные мутации возникают из-за ошибок репликации ДНК; ● спонтанные хромосомные аберрации возникают вследствие перемещения подвижных генетических элементов. Индуцированные мутации.

Мутагены: физические, химические и биологические. Молчащие мутации. Обратная мутация (реверсия). Вторичная реверсия (супрессорная мутация); интрагенные и экстрагенные супрессорные мутации.

Новый фенотип проявляется только тогда, когда измененный ген начнет функционировать.

Слайд 24Описание слайда:

Системы репарации бактерий Совокупность ферментов, катализирующих реакции коррекции повреждений ДНК, составляют системы репарации (световые и темновые).

Известны три основных механизмов коррекции дефектов ДНК: ● непосредственная реверсия от поврежденной ДНК к исходной структуре; ● эксцизия («выпадение») повреждений с последующим восстановлением исходной структуры; ● активация механизмов, обеспечивающих устойчивость к повреждениям.

Слайд 25Описание слайда:

Фенотипическая изменчивость бактерий Временные, наследственно не закрепленные изменения называются модификациями. Диссоциация микробов: S→R, сопровождаются изменениями биохимических, морфологических, антигенных и патогенных свойств возбудителей. Условия модификации: 1) определенность; 2) общность изменений в популяции; 3) обратимость.

Слайд 26Описание слайда:

Применение генетических методов в диагностике инфекционных заболеваний Маркер возбудителя – геном. Применение: • для диагностики вирусных и бактериальных инфекций; • для идентификации бактерий; • для определения точного таксономического положения микроорганизмов.

Слайд 27Описание слайда:

Рестрикционный анализ Рестриктазы – ферменты, расщепляющие молекулы ДНК (разрывают фосфатные связи в определенных последовательностях нуклеотидов).

В геноме конкретного вида микроорганизмов находится строго определенное число участков узнавания для определенной рестриктазы → рестрикционная карта вида. Генетическое родство микроорганизмов, принадлежность к определенному виду, мутации.

Используется как начальный этап метода определения последовательности нуклеотидных пар (секвенирования) и метода молекулярной гибридизации.

Слайд 28Описание слайда:

Метод молекулярной гибридизации Основан на способности ДНК и РНК специфически соединяться (гибридизироваться) с комплементарными олигонуклеотидными фрагментами, искусственно синтезированными и меченными ферментом, флюорохромом или изотопом (зондами).

Слайд 29Описание слайда:

Полимеразная цепная реакция ПЦР основана на многократном увеличении числа копий (амплификации) определенного участка ДНК, катализируемое ферментом ДНК-полимеразой.

Этапы: подготовка исследуемой пробы (изоляция ДНК или РНК), собственно ПЦР и детекция продукта ПЦР (амплифицированной ДНК). При использовании РНК в качестве матриц для ПЦР – ОТПЦР.

Компоненты: 1) фермент ДНК-полимераза; 2) пара олигонуклеотидных праймеров; 3) набор нуклеотидов; 4) копируемая ДНК; 5) ионы Mg+2.

Слайд 30Описание слайда:

Схема полимеразной цепной реакции

Слайд 31Описание слайда:

Особенности генетики вирусов Наследственная информация у вирусов может быть записана как на ДНК, так и на РНК. Скорость спонтанного мутагенеза в ДНК-геномах значительно ниже (10-8 – 10-11 на каждый включенный нуклеотид), чем у РНК-геномных (10-3 – 10-4 на каждый включенный нуклеотид). Индуцированные мутации: действующие in vivo и in vitro.

Слайд 32Описание слайда:

Вирусные мутации По фенотипическим проявлениям: ● Мутации, не имеющие фенотипического проявления. ● Летальные мутации. ● Условно летальные мутации. ● Мутации, имеющие фенотипическое проявление. По изменению генотипа: точечные (локализующиеся в индивидуальных генах) и генные (затрагивающие более обширные участки генома).

Слайд 33Описание слайда:

Взаимодействие вирусных геномов Кооперативные взаимодействия: ● Генетическая рекомбинация чаще встречается у ДНК-содержащих вирусов или РНК-содержащих вирусов с фрагментированным геномом (вирус гриппа), происходит обмен между гомологичными участками вирусных геномов.

● Генетическая реактивация – перераспределении генетического материала между геномами родственных вирусов с мутациями в разных генах. ● Комплементация – один из вирусов, инфицирующих клетку, в результате мутации синтезирует нефункциональный белок.

Немутантный вирус, синтезируя полноценный белок, восполняет отсутствие его у мутантного вируса.

● Фенотипическое смешивание происходит при смешанном заражении чувствительной клетки двумя вирусами, когда часть потомства приобретает фенотипические признаки, присущие двум вирусам, при неизменном генотипе.

Слайд 34Описание слайда:

Вирусная интерференция Интерфернция вирусов – состояние невосприимчивости к вторичному заражению клетки, уже инфицированной вирусом. Гетерологическая интерференция: угнетение адсорбции путем блокирования или разрушения специфических рецепторов, ингибирование трансляции мРНК, индукция интерферона.

Гомологическая интерференция: при высокой множественности инфицирования образуется много дефектных вирусных частиц. Циркуляция ДИ-частиц и коинфекция с полноценным вирусом вызывают вялотекущие, длительные формы инфекции. Взаимодействие между вирусом и клеткой-хозяином: вирусная трансформация клетки.

Генетика бактерий | просто о медицине

ГЕНЕТИКА БАКТЕРИЙ

Микроорганизмы послужили удобной моделью для генетических исследований приведших к важнейшим открытиям в биологии: показано, что материальным носителем (основой) наследственности являются нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК; установлено детальное строение хромосомы; расшифрованы механизмы генетического обмена и его регуляции, достижения генетики микроорганизмов послужили основой для становления и развития новой перспективной отрасли — биотехнологии. Она призвана использовать свойства микробов и клеточных культур, биологических процессов в производстве: биологически активных веществ (антибиотиков, гормонов, белков, аминокислот), энергоносителей, полезных новых видов микробов, сортов растений, видов животных, эффективных вакцин, а также в борьбе с загрязнением окружающей среды и болезнями растений.

• Микробы как объекты генетических исследований, обладают рядом преимуществ: бактерии содержат гаплоидный набор генов, поэтому изменения их генотипа с неизбежностью влекут за со­бой изменение фенотипа; для них характерно быстрое размножение и огромная численность по­томства (быстрая смена поколений); работа с микробами не требует больших затрат.
• 
• Организация генетического материала бактерий

Геном бактерий (совокупность всех генов) представлен хромосомой, плазмидами и транспозируемыми элементами. Хромосома и плазмиды являются репликонами — элементами, способными к ав­тономной репликации (самоудвоению).

Хромосома представляет собой замкнутую в кольцо двухспиральную нить ДНК, плотно уло­женную в цитоплазме и несущую 95-99% генетической информации (дыхание, питание и другие важнейшие функции) Последовательность нуклеотидов в хромосоме определяет чередование оперонов, функционирование которых происходит также, как у других организмов.

Плазмиды — это внехромосомные генетические элементы, представляющие собой замкнутые в кольцо двухспиральные молекулы ДНК, обычно находящиеся в скрученном состоянии в цито­плазме или в интегрированном состоянии (в составе хромосомы).

Они кодируют 1-5% генетиче­ской информации (основном, адаптационные свойства), могут утрачиваться клеткой без потери жизнеспособности, а также передаваться от клетки-донора в клетку-реципиент.

Трансмиссивные плазмиды передаются путем самопереноса при конъюгации, нетрансмиссивные — пассивно, путем трансдукции с участием умеренного бактериофага или при мобилизации трансмиссивной плазмидой в ходе конъюгации. Плазмиды могут содержать гены множественной лекарственной устойчи­вости (К — фактор), вирулентности (плазмиды токсигенности, адгезивности и др.

), дополнительных ферментов метаболизма (утилизация лактозы, цитрата и др.). Плазмиды наделяют клетку допол­нительной генетической информацией, которая дает ей селективные преимущества (например, способность сохраняться во внутренней среде макроорганизма, где на микроб действуют защитные реакции организма и антибиотики, принимаемые в ходе лечения).

Транспозируемые элементы — это отдельные фрагменты ДНК, способные к многократному перемещению от одного репликона к другому без изменения структуры.

Они не способны к авто­номной репликации (удваиваются вместе с хромосомой и плазмидой), могут перемещаться (в со­ставе плазмиды) от клетки-донора в клетку-реципиент, вызывая изменение ее генотипа. Различают вставки — последовательности не кодирующие известных признаков, и транспозоны, кодирующие 1 или несколько признаков (любых).

   Перемещение, в зависимости от вида элемента, может происходить в разные или в определенный участок репликона, что также является важным механизмом изменчивости микробов.

Изменчивость микроорганизмов

Различают генотипическую (наследуемую) изменчивость и фенотипическую (ненаследуемую, модификационную). Наследуемая изменчивость осуществляется в виде мутаций и рекомби­наций.

Мутации — это перегруппировка генов, не связанная с внесением в клетку нового генетиче­ского материала, ненаправленное изменение генотипа.

Спонтанные мутации возникают без види­мых причин, как ошибки репликации; индуцированные — под влиянием мутагенов (УФО, ионизи­рующей радиации, алкилирующих агентов, азотистой кислоты, аналогов оснований ДНК и др.).

Мутации могут проявляться в виде удвоения, выпадения, замены нуклеотидов, вставки (в том чис­ле транспозируемого элемента) и др.

Рекомбинации — это изменения генотипа, связанные с внесением в клетку-реципиент  гене­тического материала от клетки-донора. Различают 3 вида рекомбинаций: трансформацию, трансдукцию, конъюгацию.

1. Трансформацией называют процесс: поглощения клеткой-реципиентом
2. изолированной ДНК клетки-донора (или синтетической нуклеиновой кислоты).
3. Трансдукция — перенос генетической информации (ДНК) при проникновении в клетку уме­ренного бактериофага (вирусных частиц, паразитирующих на бактериальных клетках).
4. Конъюгация — перенос генетической информации посредством трансмиссивных плазмид при непосредственном контакте донора и реципиента.

Мутации и рекомендации обеспечивают высокий уровень генетического обмена в различных микробиоценозах, позволяют микробам быстро адаптироваться к меняющимся условиям среды, эволюционировать, нередко приобретая нежелательные свойства — лекарственную устойчивость, повышенный патогенный потенциал. Все формы наследуемой изменчивости активно используют­ся в генно-инженерных исследованиях и биотехнологии.

Геном бактерий и секреты генной инженерии

Термин «геном бактерий» приобрел современное значение не так давно. Первоначально он понимался как генетическая характеристика конкретного вида микроорганизма в общем.

Развитие микробиологии и, в частности, молекулярной генетики, внесло свои коррективы, и сегодня этим термином обозначают наследственную конституцию клетки, куда учитывают и различные факультативные элементы, располагающиеся вне хромосомы.

Происхождение термина

Впервые термин «геном» появился в начале 20 века в работах немецкого биолога Ганса Винклера, где обозначал объединение всех генов растительного гибрида.

Геном – слово сложносоставное и образовано из термина «ген» и собирательного суффикса «-ом», обозначающего слияние частей в целое. В таком аспекте термин «геном» следует понимать как объединение имеющихся генов в единое целое.

Структурные особенности наследственной конституции прокариотов

Бактериальный геном прокариотов представлен генетическими элементами, обеспечивающими репликативную функцию – репликонами. Для бактериальной клетки это – хромосома и плазмиды. Чаще всего они имеют кольцевую форму, хотя возможно и линейное строение молекул-носителей ДНК.

В качестве примера можно взять геном спирохеты, вызывающей клещевой боррелиоз. Геном спирохеты Borrelia burgdorferi представлен линейной хромосомой и плазмидами, часть которых также линейна по строению.

Геномы эукариотов и бактерий значительно различаются по количеству генов и, соответственно, размеру – от нескольких тысяч у бактерий до миллиардов пар оснований у эукариотов, в том числе человека. Геномы вирусов и бактерий представляют класс компактных геномов, не превышающих нескольких миллионов пар оснований.

Особенности строения

Геном прокариотов представляет собой бактериальную хромосому и плазмиды, содержащих наследственную информацию, которая хранится как определенная очередность нуклеотидов ДНК. Это, в свою очередь, определяет порядок расположения аминокислот в белке бактериальной клетки.

Каждому белку бактериальной клетки соответствует участок ДНК, характеризующийся конечным числом и порядком расположения нуклеотидов.

Строение хромосомы прокариотов

Хромосома бактериальной клетки – это одна двухцепочная закольцованная молекула ДНК, строение которой определяется большим количеством (до 4 тысяч) генов. Она содержит гаплоидный генетический набор – имеет одну копию набора непарных хромосом, которая удваивается только в процессе деления клетки.

В процессе развития микробиологии было определено, что гаплоидный набор не является для бактерий единственно возможным. Изучая геномы бактерий и вирусов, ученые обнаружили бактерии, в геноме которых содержится диплоидный (парный) набор хромосом (Brucella melitensis) и даже хромосома линейной формы (Streptomyces ambofaciens).

В среднем, наследственный материал бактериальной клетки включает в себя до 5 млн. пар оснований, а геном человека, для сравнения, состоит из 2,9 млрд. пар оснований. Если развернуть бактериальную хромосому в прямую нитку, ее длина составит 1 мм.

Внехромосомные элементы наследственности прокариотов

Помимо хромосом, в геном бактерий входят плазмиды и мобильные генетические элементы:

• транспозоны – нуклеотидные последовательности, несущие генетическую информацию; способны перемещаться с хромосомы на плазмиду;
• is-последовательности – небольшие по размеру и наиболее простые элементы, по частоте встраивания сопоставимы со спонтанной мутацией, осуществляют горизонтальный перенос.

Эти элементы клетки прокариотов также представлены молекулами ДНК со своими специфическими признаками и являются частью наследственного материала микроба.

Микробиология, изучая геном клетки бактерии, установила, что эти внехромосомные факторы наследования не являются жизненно необходимыми для микроорганизмов, так как не содержат информацию о синтезе ферментов, задействованных в метаболизме бактерии.

Благодаря информации, которую несут плазмиды и мигрирующие генетические элементы, микробы обладают определенными свойствами. К примеру, антибиотической резистентностью, способностью к синтезу гемолизина и бактериоцина.

В отличие от плазмид, другие внехромосомные элементы всегда связаны с хромосомой и не способны к самостоятельному воспроизведению.

Плазмиды бактериальной клетки выполняют две функции:

• регуляторную – компенсация нарушений ДНК хромосомы за счет плазмидного репликона;
• кодирующую – внесение и сохранение в клетке бактерии новой информации, что проявляется в приобретенных признаках.

Свойства любого организма, будь то человек или бактерия, определяются совокупностью генов – генотипом. В случае же бактерий значение терминов «генотип» и «геном» фактически идентично.

Если геном – это совокупность наследственного материала клетки, то генотипом называют генетический материал – результат объединения геномов родительских половых клеток. Клетка человека, к примеру, будет обладать двойным генетическим набором, полученным от родителей.

Бактериальная клетка размножается прямым делением, и геном дочерней и материнской клетки изначально идентичны. Поэтому и понятия «генотип» и «геном» для бактериальной клетки практически синонимы.

Воздействие окружающей среды

Результатом взаимодействие генотипа с окружающей средой является фенотип, который представляет собой модификационные изменения под конкретные условия среды обитания. При этом геном бактерии не изменяется.

Хотя фенотип зависит от конкретных внешних условий, все изменения контролируются геномом бактерии, так как возможные изменения определяются набором имеющихся наследственных материалов. Способность изменяться является инструментом эволюции, позволяющим решать вопросы естественного и искусственного отбора.

Изменчивость фенотипа микроорганизма в зависимости от механизма воздействия, может быть:

• ненаследственной – с изменениями только фенотипа микроорганизма;
• наследственной – изменения происходят на уровне генотипа.

В микробиологии основными видами ненаследственных изменений фенотипа считаются:

• адаптация – ненаследственная приспособленческая реакция клетки;
• модификация – изменение внешних признаков бактерий (размер, форма или цвет колоний) под воздействием окружающих условий.

Модификация как изменение фенотипа представляет собой результат воздействия фактора окружающей среду. Основные характеристики модификационной изменчивости генома микроорганизмов:

• обратимость изменений фенотипа (касается как человека, так и бактерии) – изменение условий жизнедеятельности приведет к исчезновению существующей модификации и замене их на другие;
• изменения носят не индивидуальный, а групповой характер;
• изменения фенотипа не наследуются;
• модификация фенотипа происходит при каждом изменении условий жизни, при этом генотип остается неизменным.

Генетические мутации и рекомбинации у микроорганизмов

Генотипическая (наследственная) изменчивость прокариотов может быть связана с мутациями – изменениями расположения нуклеотидов в ДНК, их частичной или полной утратой. Следствием мутации является перестройка всех генов генома, что внешне проявляется в появлении или исчезновении характерных признаков.

Рекомбинация генома у всех организмов, от прокариотов до человека, представляет собой изменение местоположения отдельных генов в пределах хромосомы либо в результате проникновения в клетку донорской ДНК.

Рекомбинации прокариотов подразделяются на:

• законные – осуществляются только при наличии протяженных участков ДНК в рекомбинируемой клетке бактерии;
• незаконные – не требуют наличия протяженного участка ДНК, осуществляются при помощи is-элементов, имеющих липкие концы, что позволяет быстро встраиваться в клетку микроорганизма.

Для осуществления генетических рекомбинаций в клетке прокариота требуется участие ряда ферментов.

Передача генетического материала между организмами

Существуют пути передачи наследственного материала между бактериями. К ним относятся:

• трансформация – прямая передача фрагмента ДНК донора реципиенту; характерна внутривидовая трансформация, межвидовая реализуется крайне редко;
• трансдукция – передача наследственного материала между бактериями посредством фагов;
• конъюгация – перенос генного материала бактериальной клеткой-донором, несущей F-плазмиду (половой фактор) реципиенту.

Передача наследственного материала между организмами, не состоящими в цепочке «предок – потомок», называют горизонтальным переносом, а наследование генетического материала от своего предка – вертикальным переносом.

Явление горизонтального переноса генетического материала было впервые описано в 1959 году японскими микробиологами на примере передачи невосприимчивости к антибиотикам различных бактерий. Дальнейшие исследования показали, что горизонтальный перенос наследственного материала является характерной чертой и важным эволюционным механизмом прокариотов и появился он вместе с самими бактериями.

Если генетику интересует вертикальный перенос, то генная инженерия занимается вопросами искусственного горизонтального переноса.

Вопросы, задачи и методы биотехнологий

Биотехнологии предназначены для получения заданных свойств у генетически измененного организма. Основным инструментом биотехнологий является генная инженерия. Она позволяет, используя методы молекулярного клонирования и горизонтального переноса, вносить изменения напрямую в генный аппарат клетки.

Способы изменения генома

Для того, чтобы микроорганизм приобрел нетипичные для него свойства, необходимо изменить его геном. Для этого существуют два пути:

• мутация – воздействие на клетку мутагенов (химические яды или излучение) приводит к неконтролируемым генетическим мутациям;
• прямое введение в геном нуклеотида с необходимыми свойствами.

Для генной инженерии технологическим решением проблемы введения нужного нуклеотида в микроорганизм стала бактериальная трансформация. Происходит внедрение донорской плазмиды в бактерию-реципиент, что является типичным горизонтальным переносом наследственной информации.

Плазмидные технологии решили вопрос введения искусственных генов в клетку микроорганизма. Одним из примеров успехов генной инженерии является производство инсулина человека, при котором используются генетически модифицированные бактерии.

Для изучения бактерий, геном которых подвергся изменению методами генной инженерии, используют следующие техники горизонтального переноса генной информации:

• нокаут гена – исследуемый участок ДНК удаляют или повреждают, после чего отслеживают результаты мутации;
• искусственная экспрессия – в клетку вводят новый ген, результаты мутации отслеживаются;

Для отслеживания продукта модификации генная инженерия использует метод визуализации. Для этого применяется флуоресцентный белок, что позволяет отслеживать процесс.

Другим способом генной инженерии является добавление к гену небольших по размеру олигопептидов (репортерный элемент), которые выявляются специфическими антителами.

Генная инженерия воздействует не только на строение молекулы ДНК. Она изучает экспрессию гена, которая напрямую связана с промотором (небольшой участок ДНК перед кодирующей областью) и фактором транскрипции (перенос наследственной информации).

Техниками генной инженерии в будущем будет возможно воздействовать не только на геном прокариотов, но и на геном человека. Методы генотерапии по воздействию на геном человека еще разрабатываются и проверяются на приматах. Методы горизонтального переноса наследственной информации помогут решить вопросы с генетическими заболеваниями.

Сегодня геном бактерии является удобным объектом генетических исследований. У растений, животных и человека совокупность всех наследственных факторов организма – геном – будет определять характерные признаки (генотип) клетки, а результат взаимодействия с окружающей средой – фенотип.

Работаю врачом ветеринарной медицины. Увлекаюсь бальными танцами, спортом и йогой. В приоритет ставлю личностное развитие и освоение духовных практик. Любимые темы: ветеринария, биология, строительство, ремонт, путешествия. Табу: юриспруденция, политика, IT-технологии и компьютерные игры.

Генетика микроорганизмов. Генотип и фенотип. Мутации. Рекомбинация генетического материала у прокариот

Бактериальный геном состоит из генетических элементов, способных к самостоятельной репликации, т. е. репликонов. Репликонами являются бактериальная хромосома и плазмиды.

Наследственная информация хранится у бактерий в форме последовательности нуклеотидов ДНК, которые определяют последовательность аминокислот в белке. Каждому белку соответствует свой ген, т. е. дискретный участок на ДНК, отличающийся числом и специфичностью последовательности нуклеотидов.

Бактериальная хромосома представлена одной двухцепочечной молекулой ДНК кольцевой формы. Размеры бактериальной хромосомы у различных представителей царства Procaryotae варьируют. Бактериальная хромосома формирует компактный нуклеоид бактериальной клетки. Бактериальная хромосома имеет гаплоидный набор генов. Она кодирует жизненно важные для бактериальной клетки функции.

Плазмиды бактерий представляют собой двухцепочечные молекулы ДНК. Они кодируют не основные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, но придающие бактерии преимущества при попадании в неблагоприятные условия существования.

Свойства микроорганизмов, как и любых других организмов, определяются их генотипом, т.е. совокупностью генов данной особи. Термин «геном» в отношении микроорганизмов — почти синоним понятия «генотип».

Фенотип представляет собой результат взаимодействия между генотипом и окружающей средой, т. е. проявление генотипа в конкретных условиях обитания.

Фенотип микроорганизмов хотя и зависит от окружающей среды, но контролируется генотипом, так как характер и степень возможных для данной клетки стенотипических изменений определяются набором генов, каждый из которых представлен определенным участком молекулы ДНК.

В основе изменчивости лежит либо изменение реакции генотипа на факторы окружающей среды, либо изменение самого генотипа в результате мутации генов или их рекомбинации. В связи с этим фенотипическую изменчивость подразделяют на наследственную и ненаследственную.

Ненаследственная (средовая, модификационная) изменчивость обусловлена влиянием внутри- и внеклеточных факторов на проявление генотипа. При устранении фактора, вызвавшего модификацию, данные изменения исчезают.

Наследственная (генотипическая) изменчивость, связанная с мутациями, — мутационная изменчивость. Основу мутации составляют изменения последовательности нуклеотидов в ДНК, полная или частичная их утрата, т. е. происходит структурная перестройка генов, проявляющаяся фенотипически в виде измененного признака.

Наследственная изменчивость, связанная с рекомбинациями, называется рекомбинационной изменчивостью.

Подвижные генетические элементы.

В состав бактериального генома, как в бактериальную хромосому, так и в плазмиды, входят подвижные генетические элементы. К подвижным генетическим элементам относятся вставочные последовательности и транспозоны.

Вставочные (инсерционные) последовательности IS-элементы— это участки ДНК, способные как целое перемещаться из одного участка репликона в другой, а также между репликонами.

Они содержат лишь те гены, которые необходимы для их собственного перемещения — транспозиции: ген, кодирующий фермент транспозазу, обеспечивающую процесс исключения IS-элемента из ДНК и его интеграцию в новый локус, и ген, детерминирующий синтез репрессора, который регулирует весь процесс перемещения.

Отличительной особенностью IS-элементов является наличие на концах вставочной последовательности инвертированных повторов. Эти инвертированные повторы узнает фермент транспозаза.

Транспозаза осуществляет одноцепочечные разрывы цепей ДНК, расположенных по обе стороны от подвижного элемента.

Оригинальная копия IS-элемента остается на прежнем месте, а ее реплицированный дупликат перемещается на новый участок.

Перемещение подвижных генетических элементов принято называть репликативной или незаконной рекомбинацией. Однако в отличие от бактериальной хромосомы и плазмид подвижные генетические элементы не являются самостоятельными репликонами, так как их репликация — составной элемент репликации ДНК репликона, в составе которого они находятся.

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы. Расчет стоимостиГарантииОтзывы

Известно несколько разновидностей IS-элементов, которые различаются по размерам и по типам и количеству инвертированных повторов.

Транспозоны — это сегменты ДНК, обладающие теми же свойствами, что и IS-элементы, но имеющие структурные гены, т. е. гены, обеспечивающие синтез молекул, обладающих специфическим биологическим свойством, например токсичностью, или обеспечивающих устойчивость к антибиотикам.

Перемещаясь по репликону или между репликонами, подвижные генетические элементы вызывают:

1. Инактивацию генов тех участков ДНК, куда они, переместившись, встраиваются.

2. Образование повреждений генетического материала.

3. Слияние репликонов, т. е. встраивание плазмиды в хромосому.

4. Распространение генов в популяции бактерий, что может приводить к изменению биологических свойств популяции, смене возбудителей инфекционных заболеваний, а также способствует эволюционным процессам среди микробов.

• Изменения бактериального генома, а следовательно, и свойств бактерий могут происходить в результате мутаций и рекомбинаций.
• Механизмы передачи генетического материала у бактерий.
• Конъюгация бактерий состоит в переходе генетического материала (ДНК) из клетки-донора («мужской») в клетку-реципиент («женскую») при контакте клеток между собой.

Мужская клетка содержит F-фактор, или половой фактор, который контролирует синтез так называемых половых пилей, или F-пилей. Клетки, не содержащие F-фактора, являются женскими; при получении F-фактора они превращаются в «мужские» и сами становятся донорами.

F-фактор располагается в цитоплазме в виде кольцевой двунитчатой молекулы ДНК, т. е. является плазмидой. Молекула F-фактора значительно меньше хромосомы и содержит гены, контролирующие процесс конъюгации, в том числе синтез F-пилей.

При конъюгации F-пили соединяют «мужскую» и «женскую» клетки, обеспечивая переход ДНК через конъюгационный мостик или F-пили. Клетки, содержащие F-фактор в цитоплазме, обозначаются F+; они передают F-фактор клеткам, обозначаемым F» («женским»), не утрачивая донорской способности, так как оставляют копии F-фактора.

Если F-фактор включается в хромосому, то бактерии приобретают способность передавать фрагменты хромосомной ДНК и называются Hfr-клетками (от англ. high frequency of recombination — высокая частота рекомбинаций), т.е. бактериями с высокой частотой рекомбинаций.

При конъюгации клеток Hfr и клеток F» хромосома разрывается и передается с определенного участка (начальной точки) в клетку F», продолжая реплицироваться. Перенос всей хромосомы может длиться до 100 мин.

Переносимая ДНК взаимодействует с ДНК реципиента — происходит гомологичная рекомбинация. Прерывая процесс конъюгации бактерий, можно определять последовательность расположения генов в хромосоме. Иногда F-фактор может при выходе из хромосомы захватывать небольшую ее часть, образуя так называемый замещенный фактор — F'.

При конъюгации происходит только частичный перенос генетического материала, поэтому ее не следует отождествлять полностью с половым процессом у других организмов.

Трансдукция — передача ДНК от бактерии-донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофага. Различают неспецифическую (общую) трансдукцию, при которой возможен перенос любого фрагмента ДНК донора, и специфическую — перенос определенного фрагмента ДНК донора только в определенные участки ДНК реципиента.

Неспецифическая трансдукция обусловлена включением ДНК донора в головку фага дополнительно к геному фага или вместо генома фага (дефектные фаги). Специфическая трансдукция обусловлена замещением некоторых генов фага генами хромосомы клетки-донора.

Фаговая ДНК, несущая фрагменты хромосомы клетки-донора, включается в строго определенные участки хромосомы клетки-реципиента. Таким образом, привносятся новые гены и ДНК фага в виде профага репродуцируется вместе с хромосомой, т.е. этот процесс сопровождается лизоге-нией.

Если фрагмент ДНК, переносимый фагом, не вступает в рекомбинацию с хромосомой реципиента и не реплицируется, но с него считывается информация о синтезе соответствующего продукта, такая трансдукция называется абортивной.

Трансформация заключается в том, что ДНК, выделенная из бактерий в свободной растворимой форме, передается бактерии-реципиенту. При трансформации рекомбинация происходит, если ДНК бактерий родственны друг другу. В этом случае возможен обмен гомологичных участков собственной и проникшей извне ДНК.

Впервые явление трансформации описал Ф. Гриффите (1928). Он вводил мышам живой невирулентный бескапсульный R-штамм пневмококка и одновременно убитый вирулентный капсульный S-штамм пневмококка. Из крови погибших мышей был выделен вирулентный пневмококк, имеющий капсулу убитого S-штамма пневмококка.

Таким образом, убитый S-штамм пневмококка передал наследственную способность капсулообразования R-штамму пневмококка. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти (1944) доказали, что трансформирующим агентом в этом случае является ДНК.

Путем трансформации могут быть перенесены различные признаки: капсулообразование, устойчивость к антибиотикам, синтез ферментов.

Изучение бактериальной трансформации позволило установить роль ДНК как материального субстрата наследственности. При изучении генетической трансформации у бактерий были разработаны методы экстракции и очистки ДНК, биохимические и биофизические методы ее анализа.

SR-диссоциацией называется такое явление, когда в чистой культуре, образующей S-формы колоний, появляются R-формы.

При этом изменение формы колонии является внешним проявлением изменений свойств образующих ее бактериальных клеток. У бактерий, в норме образующих R-формы колоний, также наблюдается диссоциация, которая, проявляется появлением S-форм колоний.

Однако, механизм RS-диссоциации не известен и этот вид диссоциации здесь не рассматривается. А. По своему механизму SR-диссоциация – это инсертационная мутация, приводящая к утрате генов, контролирующих синтез полисахаридных звеньев ЛПС наружной мембраны клеточной стенки.

Из-за этого все свойства, функционально связанные с клеточной стенкой (форма, наличие капсулы и жгутиков, чувствительность к бактериофагам, метаболическая активность и т.д.) изменяются и как конечный результат – изменяется форма колонии. Б. Диссоциация имеет для бактерий важное биологическое значение. 1.

R-формы колоний более устойчивы к физико-химическим факторам внешней среды. 2. S-формы более устойчивы к фагоцитозу и действию антител.

В. Диссоциация значительно усложняет выделение и идентификацию чистой культуры. В этом заключается большое значение диссоциации для микробиологической диагностики.